CMOS racực máng hở Do dùng MOSFET nên ngõ ra không phải là cực thu mà là cực máng Ở hình 1.67 trrình bày hai cổng NOT CMOS thường có ngõ ra nối chung với nhau Nếu 2 đầu vào ở cao thì 2
Trang 1CMOS cực máng hở, CMOS ra 3 trạng thái và CMOS nảy schmitt trigger
Tương tự như bên TTL, các cổng CMOS cũng có các loại ra hở mảng, ra 3 trạng thái và nảy schmitt trigger, vì có nhiều loại CMOS được sản xuất để tương thích và thay thế cho loại TTL tương ứng
CMOS racực máng hở
Do dùng MOSFET nên ngõ ra không phải là cực thu mà là cực máng
Ở hình 1.67 trrình bày hai cổng NOT CMOS thường có ngõ ra nối chung với nhau
Nếu 2 đầu vào ở cao thì 2P ngắt, 2N dẫn ngõ ra mức cao bình thường
Nếu 2 đầu vào ở thấp thì 2P dẫn, 2N ngắt ngõ ra mức thấp bình thường
Nhưng nếu ngõ vào cổng 1 ở thấp còn ngõ vào cổng 2 ở cao thì P1 dẫn N1 ngắt, P2 ngắt N2 dẫn áp ngõ ra sẽ là nửa áp nguồn Vdd Áp này rơi vào vùng bất định
không thể dùng kích các tải được hơn nữa với áp Vdd mà cao, dòng dẫn cao có thể làm tiêu 2 transistor của cổng
Vậy cách để cực D ra hở là hợp trong trường hợp này Trong cấu trúc mạch sẽ không còn MOSFET kênh P nữa, còn MOSFET kênh N sẽ để hở cực máng D Ta
có thể nối các ngõ ra theo kiểu nối AND hay OR và tất nhiên là cũng phải cần điện trở kéo lên để tạo mức logic cao, giá trị của R kéo lên tính giống như bên mạch loại TTL
CMOS ra 3 trạng thái
Tương tự mạch bên TTL, mạch có thêm ngõ điều khiển G (hay C)
G ở cao 2 cổng nand nối, nên Y = A, ta có cổng đệm không đảo
Trang 2G ở thấp ngõ ra của 2 cổng nand lên cao làm PMOS và NMOS cùng ngưng dẫn và đây là trạng thái thứ 3 hay còn gọi là trạng thái trở kháng cao (high Z), lúc bấy giờ
từ ngõ ra Y nhìn ngược vào mạch thì mạch như không có (điện trở ngõ ra Y lên nguồn và xuống mass đều rất lớn)
Ngõ G cũng có thể tác động ở mức thấp
Kí hiệu logic của mạch
Cổng nảy schmitt trigger tương tự nảy schmitt trigger bên mạch TTL
Cổng truyền dẫn CMOS (transmission gate :TG)
Đây là loại cổng logic mà bên công nghệ lưỡng cực không có; cổng truyền dẫn hoạt động như một công tắc đóng mở (số) để cho phép dữ liệu (dạng số) truyền qua lại theo cả 2 chiều
Trước hết là cấu tạo của cổng truyền NMOS
Tín hiệu truyền có thể là tương tự hay số miễn nằm trong khoảng 0 đến Vdd
Nhưng ở đây để dẽ minh hoạ ta giả sử lấy nguồn cấp là 10V, áp ngưỡng của
NMOS sẽ là 2V
Khi ngõ vào ở thấp, tụ sẽ không được nạp nên tất nhiên ngõ ra cũng là mức thấp Khi ngõ vào ở cao mà đường khiển G vẫn ở thấp thì ngõ ra cũng vẫn ở thấp
Trang 3Khi ngõ vào ở cao và G ở cao => NMOS dẫn với áp ngưỡng 2V nên tụ nạp đầy đến 8V thì NMOS ngắt, ngõ ra có thể hiểu là mức cao, do đó tín hiệu đã được truyền từ trái sang phải
Khi này mà ngõ vào xuống mức thấp thì tụ sẽ xả qua NMOS do đó ngõ ra lên cao trở lại tức là dữ liệu đã truyền từ phải sang trái
Tuy nhiên ta có nhận xét là, khi bị truyền như vậy dữ liệu đã giảm biên độ đi mất 2V Với mạch số có thể vẫn hiểu là mức cao mức thấp, còn với mạch tương tự thì như vậy là mất mát năng lượng nhiều rồi, và nó còn bị ảnh hướng nặng hơn khi nhiều cổng truyền mắc nối tiếp nhau
Cổng truyền CMOS :
Hình 1.70 cho thấy cấu trúc của 1 cổng truyền CMOS cơ bản dùng 1 NMOS và 1PMOS mắc song song, cũng với những giả sử như ở trên bạn sẽ thấy CMOS khắc phục được điểm dở của NMOS và chính nó đã được sử dụng rộng rãi ngày nay
Khi G ở thấp, không cho phép truyền
Khi G ở cao, nếu ngõ vào ở thấp ngõ ra không có gì thay đổi
Còn nếu ngõ vào ở cao thì cả 2 transistor đều dẫn dữ liệu truyền tù trái sang phải nạp cho tụ, ngõ ra ở mức cao nhưng có 1 điểm khác ở đây là khi tụ nạp đến 8V thì NMOS ngắt trong khi PMOS vẫn dẫn mạnh làm tụ nạp đủ 10V
Khi ngõ ra đang ở 10V, ngõ G vẫn ở cao mà ngõ vào xuống thấp thì tụ sẽ xả ngược trở lại qua 2 transistor làm ngõ vào lên cao trở lại
Các kí hiệu cho cổng truyền như hình
Trang 42.3 Đặc tính kỹ thuật
Công suất tiêu tán
Khi mạch CMOS ở trạng thái tĩnh (không chuyển mạch) thì công suất tiêu tán PD của mạch rất nhỏ Có thể thấy điều này khi phân tích mạch mạch cổng nand hay nor ở trước Với nguồn 5V, PD của mỗi cổng chỉ khoảng 2,5nW
Tuy nhiên PD sẽ gia tăng đáng kể khi cổng CMOS phải chuyển mạch nhanh
Chẳng hạn tần số chuyển mạch là 100KHz thì PD là 10 nW, còn f=1MHz thì PD= 0,1mW Đến tần số cỡ 2 hay 3 MHz là PD của CMOS đã tương đương với PD của 74LS bên TTL, tức là mất dần đi ưu thế của mình
Lý do có điều này là vì khi chuyển mạch cả 2 transistor đều dẫn khiến dòng bị hút mạnh để cấp cho phụ tải là các điện dung (sinh ra các xung nhọn làm biên độ của dòng bị đẩy lên có khi cỡ 5mA và thời gian tồn tại khoảng 20 đến 30 ns) Tần số chuyển mạch càng lớn thì sinh ra nhiều xung nhọn làm I càng tăng kéo theo P tăng theo P ở đây chính là công suất động lưu trữ ở điện dung tải Điện dung ở đây bao gồm các điện dung đầu vào kết hợp của bất kỳ tải nào đang được kích thích và điện dung đầu ra riêng của thiết bị
Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch)
Trang 5Cũng giống như các mạch TTL, mạch CMOS cũng phải có trì hoãn truyền để thực hiện chuyển mạch Nếu trì hoãn này làm tPH bằng nửa chu kì tín hiệu vào thì dạng song vuông sẽ trở thành xung tam giác khiến mạch có thể mất tác dụng logic
Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch của CMOS thì nhanh hơn hẳn loại TTL do điện trở đầu ra thấp ở mỗi trạng thái Tốc độ chuyển mạch sẽ tăng lên khi tăng nguồn
nhưng điều này cũng sẽ làm tăng công suất tiêu tán, ngoài ra nó cũng còn ảnh hưởng bởi tải điện dung
Giới hạn tốc độ chuyển mạch cho phép làm nên tần số chuyển mạch tối đa được tính dựa trên tPH
Bảng sau cho phép so sánh fmax của một số loại cổng nand loại TTL với CMOS
Trong việc sử dụng các IC logic CMOS ta phải biết nhiều đặc tính và giới hạn của chúng Các đặc tính thông dụng như áp nuôi, số toả ra, khả năng dòng ra, thường
dễ vận dụng Tất cả các IC logic đều dùng được ở nguồn nuôi 5V Số toả ra với cùng loại logic ít nhất là gần chục trong lúc thường chì cần vài Tuy nhiên đôi khi
có nghi ngờ hay sử dụng ở trường hợp áp cấp Vmax, fmax, tải thuần dung thuần cảm hay giao tiếp giữa các IC khác loại, khác áp nguồn, nói chung là các trường hợp đặc biệt thì ta phải tham khảo tài liệu ở data sheet hay data book Cũng như ở bên TTL, một số đặc tính chính của CMOS được nói đến ở đây là:
Áp nguồn nuôi ký hiệu là Vdd (khác với bên TTL ký hiệu là Vcc) rất khác nhau do
đó cần rất cẩn thận với nó, có thể dùng nguồn 5V là tốt nhất Bảng sau đưa ra các khoảng áp nguồn cho từng loại CMOS